CN1144571C - X射线焦斑移动补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可用于补偿在层析成象系统中的X射线辐射源(118)的焦斑(42)的漂移装置，它使由焦斑发射出被初级准直过的辐射束(70)与层析成象系统的目标检测器(50)保持为对准状态。由同一焦斑产生的被次级准直过的辐射束(170)，沿与初级辐射束不同的轴行进。检测器阵列(180)跟随被次级准直过的辐射束的移动，并产生用于使准直初级辐射束用的准直器再次定位的信号。

Description

X射线焦斑移动补偿系统

技术领域

本发明涉及层析成象系统，特别涉及到可用于保持在层析成象系统中的准直辐射束的对准状态，以(a)补偿沿Z轴方向的焦斑的漂移，(b)稳定的保持在层析成象系统的检测器上的辐射束的位置的装置。

背景技术

近年来，计算机化的层析成象(CT)系统一直被用来产生贯穿物体的横剖面状的薄层的层析图象，这在医疗诊断领域中是特别有用的。第三代CT扫描仪包括有一个圆盘或称圆鼓，后者以可旋转方式支持在一个龙门式支持框架上，并支持有X射线源和X射线检测器阵列。辐射源通常可以提供周期性的X射线脉冲或X射线的连续波(CW)。X射线通常由称为“焦斑”的一点辐射出。可配置准直器来控制由焦斑发出的X射线辐射束的形状和方向。检测器阵列通常包括有用于对X射线粒子进行计数的气态或固态检测器，它们设置在圆盘的沿直径方向与源相对的位置外，而源设置在圆盘开口侧的相对侧(要进行扫描的物体可由该开口进入)，从而使由源和准直器到相应的检测器的一组X射线通道，限制在位于圆盘的同一旋转平面内。在焦斑和检测器之间的辐射通道具有相类似的扇型，因此，有时候可以用“扇型光束”来表示该辐射束的形状。

圆盘通常可相应于旋转轴作至少为360度的转动，有时候该轴被称为“Z轴”，所以源可通过一系列的步进位置进行转动，并可由检测器获得相应的一系列或称一组读数(称为“投影图”或“视图”)。在每一幅视图的每一个取样周期中，沿不同的辐射束通道穿过物体而被吸收了的粒子的数目，是在每一次读取过程中沿每一相应通道的物体部分的吸收特性的函数。因此，通过位于X射线通道的同一旋转平面(下面称为“扫描平面”)中的物体的一个部分，可以获得一组视图。在每一个取样周期或称投影成象过程，检测器可产生一组代表着由检测器检测到的X射线焦斑的模拟信息的信号。

X射线检测器输出的模拟信息信号，是由在360度转动的全部投影视图中获得的，即通过在转动平面内的360度的所有步进角度位置获得，并通常可通过褶积和反向投影处理技术进行处理，以产生出代表着由X射线照射到的物体的内部结构的再现图象，该图象通常为表示薄层的二维图象。

目前，有关的各组件，诸如源和检测器等等，的研制已经获得了很大的进步，从而可以提供出根据在每一个投影成象过程中的，所检测到的真实X射线焦斑而获得的数据。而且，已经制成了可用于对检测器提供的模拟信息，进行处理的改进了的数据应答系统(DAS)。利用这些改进可以减少各种人为的电子误差，其中包括增益误差，系统关联性偏移误差，由电子噪音和编码量子化产生的电子噪音，偏置和增益的变化，编码装置的各种非线形因素和绝缘吸收效应的各种非线形因素等等。

然而，即使采用了这些精制的电子部件，由于在一次扫描过程中，或在几次扫描过程中的所产生的机械非准直性，仍然会使误差增大。依据最好的机械关联设计的标准的CT扫描系统，可以在一次扫描过程中，确保系统的各部分，特别是源和检测器保持在良好的对准状态，但是在经过了一次扫描之后或在多次扫描过程中，各部件要相对于转动轴，即Z轴移动，以在扫描平面中形成一个“最佳”圆环，其转动轴的交会点应与转动平面相吻合，从而限定了在扫描平面中的配置在该圆环上的各个物体的“粒子图象”。

经褶积/反向投影处理而再现的图象，是根据作为在每一次扫描的投影成象过程中，获得的测量数据值的函数的再现值构造的。不言而喻，对于每一次扫描的X射线焦斑的测量必须非常的精确。测量过程的一部分，就是要对矩阵中的每一个检测器的灵敏度进行校准。这种校准可以在规定的时间进行(比如说每天一次，或每周一次，也可以更经常的进行)，并在不同的时间里获得真实的图象数据。因此，该系统的一个必要的特征，就是它在机械方面和电气方面都必须是非常稳定的。否则，系统误差将会妨碍再现值的高精度的确定，而这对于获得具有预定质量的再现图象来说是必需的。

因此，在一次扫描过程中的各个层析成象部件的任何机械的非对准性和横向移动，或在进行几次扫描时各个层析成象部件的任何机械的非对准性和横向移动(这在采用现有的误差修正技术时是不能加以修正的)，将在再现图象中产生很大的失准。这种图象会给出错误的表观信息，而且当根据这些数据进行物理分析时可能会导致不正确的诊断结果。这些类型的错误还会损坏再现图象的完整性，若要对其进行正确的分析，如果说不是不可能的，那也是非常困难的。

非对准性的一个特殊的来源是辐射源自身。例如在一种类型的X射线源中，X射线直接同照射到钨制阳极的电子束产生。为了加速热量的逸散，避免过热熔化，呈圆盘形式的阳极在通过电子束通道的范围内进行连续的转动，以便在任一时刻都仅有圆盘的一小部分暴露的电子束下。可用限制高能粒子的焦斑或称发射的方式，使暴露的电子束下的圆盘为该圆盘的一小部分。包括有辐射束限制狭缝的准直器通常配置在焦斑附近，并与检测器相对，以使由该狭缝限制了的X射线辐射束与检测器阵列相对准。但是，当转动圆盘加热时，热膨胀将使焦斑发生漂移(通常为0.1至0.3毫米)，进而使已由准直器狭缝限制了的X射线辐射束的通道，相对于准直器和检测器发生位置漂移。在一般情况下，阳极圆盘的转动轴是与扫描平面相正交的，并且与Z轴相平行，因此在下面将在阳极圆盘上的任何漂移称为“Z轴辐射束漂移”。这一漂移将使焦斑沿与Z轴相平行方向产生偏移或称漂移，从而使X射线辐射束相对于Z轴漂移。这种漂移将使辐射束在检测器上移动，因此如果检测器的灵敏度沿Z轴方向是不均匀的，则该检测结果将与辐射束在Z轴方向上的位置相关。

发明内容

因此，本发明的一个主要的目的是要提供一种改进了的层析成象系统。

本发明的一个更为具体的目的是要提供一种改进了的可使用在层析成象系统中的、可以提供更为稳定的高能X射线粒子辐射束的定位的装置。

本发明的另一个目的是要提供一种改进了的、可在层析成象系统中使用的X射线辐射源组件，它可以补偿X射线源的焦斑的漂移。

本发明的一个进一步的目的是要提供一种改进了的层析成象系统，它可以补偿由于Z轴辐射束漂移所产生的源相对于准直器和检测器的非对准性，从而能给出更为精确的扫描数据。

本发明的另一个目的是要提供一种改进了的X射线源，它能够自动补偿辐射源的焦斑漂移，从而可保持焦斑相对于层析成象系统的准直器和检测器的对准状态。

本发明的又一个进一步的目的是要对Z轴焦斑的漂移进行补偿，并稳定的保持在检测器阵列上的辐射束的位置，以减少在X射线焦斑测量中由于检测器阵列中的各个检测器的灵敏度，沿Z轴方向的非均匀性所产生的误差。

本发明的一个进一步的目的是要提供一种改进了的层析成象系统，该系统对于各个检测器沿Z轴方向的非均匀性不敏感。

根据本发明的一个方面，提供一种控制X辐射的扇行束的方向的系统，该辐射扇型束在层析成象系统的X射线源的焦斑产生，且导引到该层析成象系统的X射线检测器的检测器阵列，所述的系统包括：(a)扇型束定义装置，包括一扇行束准直器，它可定位在焦斑和阵列的至少某些检测器之间，以限定所述的扇型束，(b)用于定义一次级X辐射束的装置，该次级X辐射束在该扇型束的同时在该X射线源的焦斑处产生并横切地导引到该扇型束；(c)响应该次级X辐射束而检测焦斑在一方向上的漂移的装置，该方向平行于该层析成象系统的Z轴，并且该装置产生一个控制信号，该控制信息作为所述的漂移量的函数；(d)响应该控制信号而移动该扇型束准直器的装置，以便保持在所述扇型束和所述的检测器之间的一对准状态。

根据本发明的另一方面，提供一种改进了的层析成象系统，其特征在于包括：一个由焦斑产生辐射的源，用于在层析成象扫描过程中相对Z轴控制所述的源的组件，用于在层析成象扫描过程中接收由源发出的辐射的初级检测器阵列，相对于焦斑定位的、用于对由焦斑发射出的辐射进行准直的初级准直器组件，以在层析成象扫描过程中限定由焦斑产生的照射到所述的初级检测器阵列的初级辐射束以便定义一扇型束，用于定义一次级辐射束的装置，该次级辐射束在该扇型束的同时从焦斑传播并横切地导引到该扇型束；用于响应于次级辐射束而检测焦斑的位置并产生作为所述的焦斑位置的函数的位置信号的装置，响应该位置信号并移动所述的初级准直组件，以保持所述的初级辐射束与初级检测器阵列的对准状态的装置。

如果能至少限制出两束，由源的焦斑给出的辐射束则更好些。该两束辐射束，可由X射线源的同一焦斑发出。初级辐射束用来完成层析成象系统的扫描功能，并沿位于扫描平面中的初级轴穿过扫描的物体，而到达层析成象系统中的初级检测器阵列。次级辐射束沿与初级辐射束成一定角度的方向，最好是在沿与扫描平面相正交的方向行进，并到达次级检测装置，该次级检测装置用于检测辐射源的焦斑沿Z’轴方向上的位置。次级检测装置最好包括有，可用于产生响应焦斑沿Z’轴方向上的位置的位置信号的组件。如果焦斑沿Z’轴方向有漂移，该检测装置可以响应该位置信号而对其加以检测，并向伺服装置发出所需要的控制信号，以移动初级准直器，调整初级辐射束的行进方向，进而确保初级辐射束正确的与初级X射线检测器矩阵相对准。

在一个典型的第三代层析成象系统中，初级辐射束由初级准直器限制，后者通常呈具有一个细长的狭缝的、由X射线不能穿过的材料制成板的形状，从而使由焦斑发射出的辐射束为扇型辐射束，且其宽度随离开焦斑的距离的增加而增大。由辐射束限定的要进行扫描的物体的薄层厚度，是因辐射束穿过初级检测器阵列而暴光的部分，它由(i)初级准直器的狭缝的宽度，和(ii)在焦斑，初级准直器和检测器阵列之间的距离决定。狭缝的宽度通常可为狭缝长度1/40至1/200，为X射线源在绕圆盘的Z轴转动时所限定的圆环直径的1/250至1/300，即狭缝长度：狭缝宽度的比值可以在大约40至200之间变化。在通常情况下，在CT扫描装置中心处的辐射束的厚度虽然可以有所变化，但一般为10毫米或更小。

该最佳系统还可进一步包括有次级准直器，它用于限制次级辐射束的形状并将其导向次级检测装置。当焦斑沿Z轴方向有漂移时，在该次级检测装置上的次级辐射束的位置也会有所变化。该次级检测装置可产生响应沿Z轴的漂移量的输出控制信号。伺服元件可响应该控制信号而移动初级准直器，以保持层析成象系统的焦斑，初级准直器和检测器阵列间的准直，进而补偿辐射束沿Z轴方向的漂移。

本发明的前述的和其它的目的，各种特征以及本发明本身，可通过下述的参考附图给出的说明而获得更好的理解。

附图说明

图1为表示使用本发明的最佳实施例的CT扫描装置的轴向视图。

图2为表示一个典型的高能X射线粒子辐射源和由该源产生的、由如图1所示的装置中的初级准直器限定了的扇型波束的等角视图。

图3为表示在如图1所示的装置中使用的本发明的焦斑移动补偿系统的最佳实施例的示意图。

图4为表示根据本发明的方式布置的、如图3所示的焦斑移动补偿系统中，最佳的次级X射线检测装置的一个次级准直器和检测器阵列的等角视图。

图5为表示次级检测装置的最佳实施例的示意图。

图6为表示在本发明的焦斑移动补偿系统的检测阵列中，次级检测装置的输出信号和X次级射线束的位置之间关系的曲线图。

具体实施方式

下面参考附图说明本发明的最佳实施例。

图1示出了根据本发明构造的改进后的第三代CT扫描装置12。装置12包括一个支持结构，后者包括支持具有一个圆盘型或圆环型的、支持框架18的龙门组件16用的小车14，和一个以可以绕参考标号为28的Z轴转动的方式支持在支持框架18上的旋转圆盘20。该支持框架18以可以枢轴转动方式安装在小车14的两侧，从而可以调整支持框架18相对于枢轴22的定位位置。一个用于支持和转动圆盘20的、其参考标号为24的包括有驱动滚轮和惰性滚轮的适当的驱动系统已在图中示出。更详细的说明可以参见(1994年2月8日由Gilbert W.McKenna申请的)第08/19783号美国专利申请，该申请的题目为X射线层析成象扫描系统，且现已转让给本申请的受让人(委托文件的编号为ANA-30)。该圆盘20包括一个比病人30的躯干大的圆盘型孔口26，后者可支持在病人用小车32上，以使得病人可以从中通过。该圆盘20还带有一个高能的X射线辐射源40，并限定了发出该辐射的一个焦斑42。该源设置在孔口26的一侧，而初级检测器阵列50设置在与源40相对的一侧，以检测由源40发出的X射线辐射。该检测器阵列呈弧状设置，其中心与焦斑42相吻合。该圆盘还可以带有实施扫描功能所必需的能源和其他支持系统(未示出)，这一点是公知的，而且在1993年2月8日(由Ronald E.Swain和Gilbert W.McKenna)申请的第08/193696号美国专利申请中已公开了若干个相应实例，该申请的题目为具有对所有物理参数的转动中心的X射线层析成象扫描仪，该申请现已转让给本申请的受让人(委托文件的编号为ANA-31)。

为了限制由源40的焦斑42激发出的X射线辐射的扇型辐射束44，可将一个初级准直器60配置在源40和初级检测器阵列50之间。初级准直器60可由诸如铅或铅合金等等的X射线不能穿透的材料制成，并设置有一个狭缝62。狭缝62的长度(沿纵向方向)部分限定着环绕着焦斑42的扇型辐射束所对着的角度α(角度α还是准直器60的距离的函数，后者相对于焦斑42设置)，而狭缝的宽度限定着穿过诸如病人30等等的被扫描物体的辐射束的高度或称厚度，并与检测器阵列50相吻合。在理想状态下，狭缝的尺寸应适当设定，以便使辐射束可以完全被检测器截断，以使检测器50的最大的表面积可以暴露在X射线辐射之下。

正如图2所示，扇型辐射束44由X射线源40产生，并由初级准直器60的狭缝62限定。该扇型辐射束与阵列检测器相交，以限定着射线光路，由焦斑42通过Z轴28伸延的射线光路限定着“中心射线”的通道。为了曝光方便，而且为了有利于理解和满足传统习惯，该中心射线被视为扫描平面上的“初级轴”或称“Y轴”，后者在图2中用标号70表示，而扫描平面上的X轴与Y轴和Z轴正交伸延，且在图2中用标号72表示。由图中可以看出，限定着扫描平面的Y轴70和X轴72适当伸延，以限制着随图1中的圆盘20绕Z轴28的转动的扇型辐射束。在这些附图中仅示出了圆盘的一个可能的转动位置。

正如图3所示，X射线源40包括有电子束发生器122，后者可以直接在阳极124上产生电子呸132。阳极124最好为可绕轴126转动的钨制圆盘，而轴126以可由电动机130驱动转动的方式支持在轴承128上。转动阳极124是为了易于冷却，这样可防止它过热，并可以防止电子束132损坏阳极124。X射线源40通常设置在如图3所示中的虚线所示的真空壳体118中，并适当定位以使轴126的旋转轴134与Z轴相平行。在该最佳实施例中，壳体118由玻璃制作，并设置在一个充满油的铝制壳体(未示出)内以易于冷却。

还如图3所示，X射线源40可产生通过壳体118上的孔口的由焦斑42激发出的X射线的初级辐射束。初级或称限幅准直器60的狭缝62限制着辐射束的横剖面的形状，并引导初级辐射束44沿初级轴或称Y轴70前进。作为对附图1-3的进一步的说明，其层析成装置12是在先技术中所公知的。在在先技术中，源40的轴126会由于源在产生X射线且热逸散时会产生热收缩。这种热膨胀和热收缩将使焦斑42沿与Z轴28和轴134平行的轴，既Z’轴136漂移，并使焦斑42相对于初级准直器60的狭缝62以及检测器50移动，这在图3中已由双向箭头138示出。如果在一次扫描过程中轴126发生移动，在用检测器50读取X射线时会产生误差，但是由于，(1)焦斑相对于狭缝和检测器阵列的最后的空间非准直性，(2)沿Z轴方向上的检测器50的灵敏度的变化，使得不是由焦斑42激发的通过了狭缝62的全部辐射束，都需要用检测器阵列50的每一个检测器检测，所以在多次扫描的过程中可以克服掉这种误差。

根据本发明构造的焦斑移动补偿系统，通常由参考标号150表示，它可以对焦斑42在与Z轴28和Z’轴136相平行的轴方向上的漂移进行补偿。系统150包括初级准直器60和次级准直器160，次级准直器160具有一个用于限制并引导次级辐射束170沿次级轴172到达检测该辐射束170用的次级检测装置180的狭缝或称小孔162。正如下面所述，次级检测装置180最好包括有一个用于产生作为辐射束170的位置函数的输出信号的检测器阵列。装置180的输出端与控制系统或称控制器184相连接，以产生作为由装置180检测到的焦斑42的漂移量的函数的修正信号。该控制系统与伺服装置190相连接，后者与初级准直器60机械连接，以便能移动准直器，进而能够沿与Z轴28和Z’轴136相平行的方向上移动狭缝62，这一点如图3中的双向箭头192所示。正如在先技术中所示，初级准直器60可以引导初级辐射束44沿轴70前进，穿过病人30而到达初级检测器阵列50，该准直器可以如箭头192所示作双向移动，以保持焦斑42、狭缝62和检测器50之间的相对的准直。如果需要的话，还可以设置一个具有狭缝196的预准直器194，以对初级辐射束44沿X轴70方向进行预准直，其中狭缝196可设置足够宽以满足焦斑42，以及辐射束44和初级准直器60的移动，从而使该辐射束44可以相对于初级检测器阵列50被准直。

在该最佳实施例中，初级准直器60与在先技术中所使用的初级准直器相类似，比如说，它也可以包括有一个用诸如钽等等的X射线不能穿过的材料制成的板，其厚度为1毫米，并至少具有一个基本上呈矩形的孔口或称狭缝62，以限制将照射在初级检测器阵列50上的辐射束44。该初级或称限幅准直器60可以被调节以控制辐射束的宽度或称“扇型输出”，并可以被调节以控制辐射束的厚度(沿Z轴方向)。在该最佳实施便中，初级准直器60的狭缝62将辐射束44的横剖面限定为基本上呈矩形，使辐射束的宽度(沿X轴方向)比辐射束的厚度(沿Z轴方向)的大几个数量级，特别是要大于其沿初级X轴70距焦斑42的距离。在该最佳实施例中，辐射束44的厚度即应尽可能的小，以减少不必要的X射线照射；又要足够的大，以提供足够的X射线进行层析成象的扫描。控制辐射束厚度的一种方法是，用钽或铅板构成夹层体以形成一个快门，并用适当的组件相对的移动它们以改变辐射束的厚度。也可以用类似的方法控制辐射束的宽度或称“扇型输出”，即角度“α”(参见图1)。

初级准直器60最好包括有一个具有狭缝198的可移动板196，和一个具有相对于Z轴固定的简单窄槽202的第二板200，这两个板彼此相对设置以形成为快门。狭槽202应比狭缝198宽的多，它具有足够的宽度才能使狭缝可以在两个极限位置之间，沿双向箭头192所示的方向移动，从而使得不论焦斑42处于什么位置，利用它们的组合作用，可以使其永远与辐射束的漂移保持同步，并使其与检测器阵列50相准直。可移动板196可用适当的方式加以固定，诸如采用螺旋跟随组件的跟随螺母等等，使其可以跟随由伺服装置190驱动的、由参考标号204示出的螺杆的运动，从而使得螺杆的转动可以产生板196沿平行于Z轴28方向的移动，而不是绕螺杆转动。装置19-最好还包括有由控制系统184中的微型计算机控制的电动机186。在该最佳实施例中，伺服装置190包括有一个步进电动机，其中的每一个步进均相应于可移动板196沿如双向箭头192所示的某一个方向上的不同的位置。初级准直器的总的行程设置在大约0.9375英寸，它相应于步进电动机的2880步，即每一步进可使板196移动大约0.0003255英寸。当然，这些值可以有所变化。由于在常规系统中，焦斑的实际移动仅仅需要由初级准直器给出的较小的修正量，在步进电动机186的大约10步，即大约0.00325英寸。板198可以给出一个以上的狭缝198，比如说如图中的标号198A所示的狭缝，从而用移动预定的狭缝与伺服装置190的狭槽202相准直的方式，可以容易的给出多个扇型辐射束，即不同厚度(沿Z轴方向)的薄层。可以用所将要产生的扇型辐射束的相对厚度来设置各狭缝，而狭缝的长度均是相同的，以使其能全部暴光在初级检测器矩阵50上，由于辐射束44的扩散，每一狭缝的实际宽度可比常规的设计稍窄一些。在该最佳实施例中，各狭缝的宽度可分别为0.1297英寸，0.0648英寸，0.0389英寸，和0.0258英寸，以产生出厚度为10毫米，5毫米，3毫米，和2毫米的辐射束。

除了步进电动机186之外，伺服装置190最好还包括有用于跟踪步进，即板196的位置的跟踪迹的计数器188。该计数器与控制系统184中的微型计算机相连接，并可进行数据通信。

正如图3中概略性所示出的那样，且正如图4和图5中所详细示出的那样，次级辐射束170可通过次级准直器160直接进入次级检测装置180。该次级准直器160亦包括有一个用诸如钨或钽等等的X射线不能穿过的材料制成的、其厚度为1毫米的板，并至少具有一个用于限定小孔162的几何形状的孔口。如果需要的话，预准直器194可以与次级准直器160整体形成，也可以彼此分开的形成。预准直器194和次级准直器160最好与焦斑42尽可能的接近，而初级准直器60应与焦斑42尽可能远的隔开。次级准直器160应包括有小孔162，以限制次级辐射束170呈预定的几何横剖面。若举例来说，该几何形状可以是如图4所示的平行四边形或称宝石形，也可以是如图5所示的矩形或称方形。次级检测装置180最好包括有一组设置在如图4和图5所示的叠层阵列中的X射线检测器。在特定条件下，检测器可布置在沿参考标号208所示的纵向轴方向伸延的线型阵列中。阵列中的每一个检测器均具有一检测表面，各检测器的检测表面均位于与纵向轴208相平行或共面的平面内。正如图中所示，标号为182a-182p的十六个检测器用在该最佳系统中。次级检测装置180可适当定位，以使焦斑42沿Z轴方向的任何移动，均产生次级辐射束170沿纵向轴208的移动，使其沿双向箭头220所示的方向横向移动过位于叠层阵列中的检测器。在每一次投影观察时，每一检测器182a-182p的输出均正比于投射在检测器上的X射线焦斑的大小。正如图4和图5所示，该最佳实施例采用了由十六个分立的检测器构成的检测器阵列180。最外侧的检测器182a和182p可用作为导向检测器。次级检测装置180应适当设置，以便当焦斑42在预定范围内移动时，辐射束170不会落入在导向检测器182a和182p检测到时，其输出信号将大于零，即认为发生了不正常的现象。这种状态将使控制系统184产生触发关闭源40的信号，并用适当的组件告知操作者发生了错误，这些适当的组件可以是报警器，也可以是可以看到重构的图象的检测器(未示出)。在这些条件下，正如图5所示，两个导向检测器182a和182p的输出可以叠加在一起并通过单一连接线239h进行处理。其余的位于中间的检测器182b-182g中的相邻检测器分别构成为一组，以形成检测器通道230a-230g，即如图5所示，相邻的检测器182b和182cc，182d和182e，182f和182g，182h和182i，182j和182k，210l和182m，182n和182o彼此相连接，每一对中的每一个检测器的输出信号彼此叠加并通过连接线230a-230g传递出去。这样，八对检测器组可产生八个输出信号。每一对的输出信号叠加在一起并输入至控制系统184。正如图5所示，控制系统184最好包括有，比如说由参考标号240所示出的取样和保持回路组件，以在预定的时间间隔内，对每一连接线230a-230g提供的模拟信号进行取样。该取样和保持回路可以向用于将模拟信号转换为数字信号的模数取样和保持回路可以向用于将模拟信号转换为数字信号的模数(A/D)转换器260提供输出信号。如果对于八个取样和保持回路仅使用一个A/D转换器，则可以采用一个多路调制器以依次向单一的A/D转换器传递取样后的信号，这在技术上是公知的。

最佳的控制系统184还可包括有具有附属存储器和输入/输出子系统的微型计算机270，以控制系统184的其他部分和伺服装置190，并用于存储数据。

为了能精确的测定焦斑42是否沿Z’轴方向发生了漂移，进而相对于初级准直器60和初级检测器阵列50发生了漂移，发生了多大的漂移，则次级辐射束170在双向箭头220所示的方向上，相对于次级检测装置的检测器182沿纵向轴208方向发生的横向移动必需精确的加以测量。该次级辐射束的横剖面的形状象前述的小孔162一样，它确定着在次级检测装置180的各检测器182的输出信号之间的相互关系的本质。可适当的选择这一形状，以放大由装置180检测到补偿所需要的焦斑的微小移动量。在该最佳实施例中，次级辐射束170呈方形，以放大在一个接收到代表着充分暴光的信号的通道，和一个接收到代表着位于辐射束边缘的部分暴光的信号的通道之间的差。

正如图5所示，当小孔162为矩形时，辐射束170具有基本上呈矩形的横剖面，故给出了一组如图6所示的、呈梯形的输出信号。辐射束的宽度(沿于轴208垂直的方向)应延伸至检测器的整个长度，以最大限度的利用每一个检测器，而辐射束的长度大体上等于八个检测器或称四个通道的宽度。如果需要的话，在辐射束和检测器正确校准了的时候，辐射束的中心最好基本上位于相应的两个中心检测器182i、182j的中心。当次级辐射束沿轴208移动时，如图6所示的梯形输出信号将象图示的那样，向左侧或右侧漂移。这样设计的系统可以使焦斑沿Z’轴的移动最大化，进而可以使在次级检测装置180上的次级辐射束170的最大的预先处理过的行程接近一个检测器宽度的1/2，或一个通道的1/4。

类似的，辐射束也可以取诸如平行四边形或称宝石形等等的横剖面形状，这样，当辐射束170与次级检测装置180正确校准了时，可由该一对中心检测器182i和182j产生基本上相等的最大输出信号，而由检测器对182f和182g，182j和182k产生的基本上相等的输出信号略小些，由检测器对182d和182e，182l和182m产生的基本上相等的输出信号更小些，由检测器对182b和182c，182n和182o产生的基本上相等的输出信号则更小，而且当辐射束沿轴208漂移时，几何形状相似的三角形信号也会相对于通道漂移。

在该最佳实施例中，预期可被检测出的辐射束170的量级，要比在阵列中的一对检测器之间的距离小的多，所以初级辐射束的移动量可作为辐射束中心的可检测的漂移量的量级的函数而被检测，其输出信号的质心可如图6所示。质心可用内插方法，由各检测器的输出信号获得。在该最佳实施例中，辐射束的质心或称位置可由如图6所示的曲线沿水平轴的平均位置(横坐标)确定，并可以由下述的公式给出：

$\left(1\right).....C=\underset{c=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{N_c{V}_c}{n}$

其中，C为辐射束的质心或中心，

      N_c为通道数目，

      V_c为通道的信号值，

      n为接收信号信息的通道数目(在该最佳实施例中为7)

各检测器182a-182p的输出信号的和，相应于照射到检测器阵列上的总辐射量。该值可以反馈至X射线源40，并用于控制辐射输出量，以确保在所有的扫描投影视图中有基本上恒定的X射线水平。而且，入射辐射值数据可作为投影视图数据，以作为对投影视图进行归一处理时的基础，这一点已公开在尚未授权的美国专利申请中，该申请(是由John Dobbs和Hans Weedon申请的)题目为在CT扫描装置中的X射线图象数据的归一化处理，该申请现已转让给本申请的受让人(委托文件的编号为ANA-60)。

在运行过程中，X射线源40可在由大约600摄式度至大约1500摄式度的温度范围内运行。在热循环过程中，X射线源40中的材料会受到热膨胀的影响，而使焦斑42的位置沿Z’轴136发生移动。这将使初级辐射束44绕初级准直器60的狭缝62转动，从而沿Z轴漂移，并部分的或全部的偏离开初级检测器阵列50，使层析成像系统的性能急剧下降并干扰其运行。但当质心的漂移由装置184检测到时，可向步进电动机190发出一个信号，移动初级准直器60至一个适当的量，即与初级辐射束44和轴70漂移的相适当的量，以再次将初级辐射束70对准至初级检测器阵列50的中心。

为了能有效的补偿焦斑的漂移，系统必须进行初始标定。在焦斑漂移量，次级辐射束170在次级检测装置180和次级检测器182上的移动的漂移量，和初级准直器60的位置之间的关系，可由已知的在焦斑42，初级准直器60，次级准直器160，和次级检测装置180之间的相对几何位置关系来求出。在该最佳实施例中，准直是按经验方式实施的。当X射线源40是冷的(在大约600℃)且没有病人或物体位于该机械中时，移动初级准直器60，并对于电动机190的每一个步进或初级准直器60的位置，记录初级检测器50的输出信号和次级检测装置180的次级检测器182的输出信号。在初级检测器50的输出为最大信号时，取为准直器60的最佳位置。由装置180检测到的信号的质心位置，作为按照上述的公式(1)计算出的位置，是用于对冷阳极测量到的焦斑的次级辐射束170的初始位置。然后，将X射线管加热到最高温度(大约为1500℃)的95％左右，这时已使焦斑42产生沿Z’轴136的最大的漂移量。在这一位置对次级检测装置180的检测器182的输出进行处理，并根据公式(1)计算出相应的次级检测器质心，以确定质心值的相应的的变化。质心值的这一变化是初级准直器60的位置的漂移变化的函数，可使扇型辐射束的漂移返回至使初级检测器阵列50有最大曝光的位置处的移动量，可由下述的公式确定：

$\left(2\right).....M=\frac{(S{T}_H-S{T}_C)}{(C_H-C_C)}$

其中，M为在初级准直器的位置和由次级检测装置180和控制器184检测到的质心值之间的变化的梯度或称比率；

ST_H为当X射线管是热的时在步进过程中(由计数器188测量)的初级准直器的位置；

ST_C为当X射线管是冷的时在步进过程中(由计数器188测量)的初级准直器的位置；

C_H为由次级检测装置180和控制器184检测到的与ST_H相对应的质心值；

C_C为由次级检测装置180和控制器184检测到的与ST_C相对应质心值。

当然，若在机械初始组装时已计算出梯度M，则除非由技术人员对各部分，即源40，初级准直器60，次级准直器160，初级检测器阵列50，或次级检测器阵列180的位置进行调整或更换，是不需要对其再次计算的。该值可存储在微型计算机270中。如果初级准直器60的板196具有一个以上的狭缝，则相应于每一个狭缝的值均应存储在微型计算机270的存储器中。

因此，可以根据梯度M，初级检测器的冷中心位置ST_C和相应的质心值C_C，来调整初级准直器。对于给定的质心的步进可以由下述的公式确定：

(3)ST＝M(C_C-C)+ST_C

其中，ST为由计数器188检测到的相对于初级准直器60的位置的新的步进位置；

M为由公式(2)确定的梯度：

C_C为当源40为冷的时由次级检测装置180和控制器184检测到的质心；

C为对于当前的焦斑位置的由次级检测装置180和控制器184检测到的质心值；

ST_C为当X射线管为冷的时由计数器188检测到的步进位置。

利用公式(3)，可以一旦检测到次级辐射束在次级检测装置180上的移动，即可以计算出步进位置ST。在该最佳实施例中，是利用公式(3)来产生包括对于每一个步进的质心值的一览表，并将该一览表存储在微型计算机270的存储器中。如果初级准直器60包括有一个以上的狭缝，可以产生并存储各分立的一览表。

在运行过程中，控制系统184由各检测器182b-182o按预定的时间间隔读取信号数据，并确定焦斑42的位置漂移量。然后该控制系统184确定(通过计算方式或一览表方式)初级准直器60的位置偏置，这对于使初级辐射束再次对准初级检测器阵列50是必需的。控制器184可产生控制信号，并将其送入步进电动机190，后者按预定的量移动初级准直器60的板196。

在一最佳实施例中，初级准直器60大约焦斑42厘米，初级检测器阵列距焦斑42大约0.845米。因此，在焦斑42中的一个3毫米的漂移将使在初级检测器阵列50上的辐射束产生大约1.7毫米移动。为了对此进行补偿，初级准直器60的板196可提供0.255毫米的微小移动量，以将辐射束保持保持定位在初级检测器阵列50上。

因此，本发明提供了一种改进了的层析成象系统，它可以提供更稳定定位的高能的X射线辐射束。焦斑移动补偿系统150可以对源40的焦斑42相对于准直器60和检测器50的、沿Z轴方向的辐射束漂移产生的非对准状态进行补偿，以提供更准确的扫描数据。通过对Z轴的焦斑漂移进行补偿，可以稳定的保持在检测器50上的辐射束的位置，进而可以减小在X射线焦斑测量中由于沿Z轴方向的检测器灵敏度的变化产生的误差。

本发明是以第三代CT扫描仪为例进行详细描述的，但不难理解，本发明也可以用于其他类型的CT扫描仪中，比如说第四代机械等等。

本发明还包括不脱离本发明的实质和主题的各种变形形式。因此，本发明的实施例仅仅是为了帮助理解，而不具有任何限定的意义，本发明的范围由下述的权利要求界定，而不是由前述的说明界定，故本发明包括由权利要求所限定范围内的各种变形。

Claims (25)

1.一种控制X辐射的扇形束的方向的系统，该辐射扇形束在层析成象系统的X射线源的焦斑产生，且导引到该层析成象系统的X射线检测器的检测器阵列，所述的系统包括：

(a)扇形束定义装置，包括一扇形束准直器，它可定位在焦斑和阵列的至少某些检测器之间，以限定所述的扇形束，

(b)用于定义一次级X射线束的装置，用于在产生该扇形束的同时在该X射线源的焦斑处产生该次级X射线束并横切地导引到该扇形束；

(c)响应该次级X射线束而检测焦斑在一方向上的位置移动的装置，该方向平行于该层析成象系统的Z轴，并且该装置产生一个控制信号，该控制信息作为所述的位置移动量的函数；

(d)响应该控制信号而移动该扇形束准直器的装置，以便保持在所述扇形束和所述的检测器之间的一对准状态。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述的检测焦斑的位置移动并产生控制信号的装置包括(a)用于接收来自所述的次级束的X射线及产生代表该X射线的信号的目标装置和(b)用于定义次级准直器的装置，次级准直器可定位在焦斑和所述的目标装置之间，以定义所述次级辐射束，该次级束被从焦斑导引到目标装置上，从而所述的焦斑在与Z轴相平行的方向内的运动会使所述的次级辐射束在所述的目标装置上移动。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于所述的目标装置包括次级检测器阵列，后者可相对于所述的焦斑定位，这样所述焦斑在与Z轴相平行的方向内的运动会使所述的次级辐射束横切于所述次级阵列移动。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于所述的次级检测器阵列可相对于所述的焦斑定位，这样所述焦斑在与Z轴相平行的方向内的运动会使所述的次级辐射束垂直于所述次级阵列移动。

5.如权利要求3所述的系统，其特征在于所述的次级检测器阵列中每一个均产生一个作为由检测器测到的一部分次级辐射束的函数的信号，所述的检测焦斑位置移动并产生控制信号的装置还包括有，用于处理由所述次级阵列中的至少一些所述的检测器输出的检测信号，以确定所述次级辐射束的质心位置并产生作为所述的位置的函数的控制信号的装置。

6.如权利要求3所述的系统，其特征在于次级检测器阵列的每个检测器产生一个检测信号，该信息作为由检测器检测到的次级束的辐射部分的函数，所述的用于检测焦斑位置移动和产生控制信息的装置还包括用于处理从所述的次级检测器阵列的至少某些检测器接收的检测信号以便确定检测信号的质心值以及作为该质心值的函数产生所述的控制信号的装置，该质心值作为每个检测器的相对位置和每个检测信号值的函数。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于所述的产生所述的控制信号的装置，包括有用于通过多条通道给出的检测信号的装置，而所述的质心值由下述的公式确定：

$C=\underset{c=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{N_c{V}_c}{n}$

其中，C为辐射束的质心值，

N_c为通道数目，

V_c为通道的信号值，

n为接收信号信息的通道数目。

8.如权利要求3所述的系统，其特征在于次级检测器阵列包括两个检测器，配置在阵列的相对两端，并当所述的两个检测器中的任何一个检测到至少一部分次级辐射束时，给出发生故障信号。

9.一种改进了的层析成象系统，其特征在于包括：

一个由焦斑产生辐射的源，

用于在层析成象扫描过程中相对Z轴控制所述的源的装置，

用于在层析成象扫描过程中接收由源发出的辐射的初级检测器阵列，

相对于焦斑定位的、用于对由焦斑发射出的辐射进行准直的初级准直器装置，以在层析成象扫描过程中限定由焦斑产生的照射到所述的初级检测器阵列的初级辐射束以便定义一扇形束，

用于定义一次级辐射束的装置，该次级辐射束在产生该扇形束的同时从辐射源的焦斑传播并横切地导引到该扇形束；

用于响应于次级辐射束而检测焦斑的位置并产生作为所述的焦斑位置的函数的位置信号的装置，

响应该位置信号并移动所述的初级准直装置，以保持所述的初级辐射束与初级检测器阵列的对准状态的装置。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于所述的检测焦斑的位置并产生位置信号的装置包括用于接收来自所述的次级束的X射线及产生代表该X射线的信号的目标装置，所述的用于定义次级束的装置包括一次级准直器，次级准直器可定位在焦斑和所述的目标装置之间，以定义所述次级辐射束，该次级束被从焦斑导引到目标装置上，从而所述焦斑的位置移动将所述的次级辐射束移动到所述的目标装置上。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于初级辐射束基本设置在并被定义在层析成象系统的扫描平面内，而Z轴基本上与所述的扫描平面正交，所述的次级辐射束沿轴横向伸延过所述的扫描平面。

12.如权利要求9所述的系统，其特征在于所述的检测焦斑的位置并产生位置信号的装置包括用于接收来自所述的次级束的X射线及产生代表该X射线的信号的目标装置，所述的用于定义次级束的装置包括一次级准直器，次级准直器可定位在焦斑和所述的目标装置之间，以定义所述次级辐射束，该次级束与层析成象系统的扫描面横切并被从焦斑导引到目标装置上，从而焦斑在与Z轴相平行的方向内的运动会使所述的次级辐射束在所述的目标装置上移动。

13.如权利要求12所述的系统，其特征在于所述的目标装置包括次级检测器阵列，后者可相对于所述的焦斑定位，所述焦斑在与Z轴相平行的方向内的运动会使所述的次级辐射束横切于所述次级阵列移动。

14.如权利要求13所述的系统，其特征在于所述的次级检测器阵列可相对于所述的焦斑定位，这样所述焦斑在与Z轴相平行的方向内的运动会使所述的次级辐射束垂直于所述次级阵列移动。

15.如权利要求13所述的系统，其特征在于所述的次级检测器阵列中的每一个均产生一个作为由检测器检测到的一部分次级辐射束的函数的信号，所述的检测焦斑位置移动并产生控制信号的装置还包括有，用于处理由所述的次级阵列中的至少一些所述的检测器输出的检测信号，以确定所述的次级辐射束的质心位置，并产生作为所述的位置的函数的控制信号的装置。

16.如权利要求13所述的系统，其特征在于次级检测器阵列的每个检测器产生一个检测信号，该信息作为由检测器检测到的次级束的辐射部分的函数，所述的用于检测焦斑位置移动和产生控制信息的装置还包括用于处理从所述的次级检测器阵列的至少某些检测器接收的检测信号以便确定检测信号的质心值以及作为该质心值的函数产生所述的控制信号的装置，该质心值作为每个检测器的相对位置和每个检测信号值的函数。

17.如权利要求16所述的系统，其特征在于所述的产生所述的控制信号的装置，包括有用于通过多条通道给出的检测信号的装置，而所述的质心值由下述的公式确定：

$C=\underset{c=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{N_c{V}_c}{n}$

其中，C为辐射束的质心值，

N_c为通道数目，

V_c为通道的信号值，

n为接收信号信息的通道数目(在该最佳实施例中为7)

18.如权利要求13所述的系统，其特征在于次级检测器阵列包括两个检测器，配置在阵列的相对两端，并当所述的两个检测器中的任何一个检测到至少一部分次级辐射束时，给出发生故障信号。

19.如权利要求12所述的系统，其特征在于所述的目标装置包括一组设置在沿纵向轴伸延的线形阵列中的检测器元件，所述的一组检测器元件相对于所述的焦斑布置，这样所述焦斑在与Z轴相平行的方向内的运动会使所述的次级辐射束基本平行于所述纵向轴移动。

20.如权利要求19所述的系统，其特征在于所述的每一个检测器元件均具有一个检测表面，每一个所述的检测表面布置在沿纵向轴伸延的线形阵列中，并位于横向伸延过所述的次级轴的所述的次级辐射束的共用平面内。

21.如权利要求20所述的系统，其特征在于每一个所述的检测器元件，均给出一个用于传递相应的位置信号到所述的用于移动所述的初级准直器装置的装置输出信号，所述的线形阵列具有两个端部，将位于所述的线形阵列中的两个所述的端部的检测器元件的输出信号彼此叠加，并将位于所述的端部之间的相邻的检测器元件，对检测器元件的输出信号彼此叠加。

22.如权利要求20所述的系统，其特征在于所述的检测装置，包括位于所述的线形阵列中的十六个检测器元件。

23.如权利要求22所述的系统，其特征在于每一个所述的检测器元件均将传递所述的位置信号的输出信号，送入至所述的用于移动所述的初级准直装置的装置，该线形阵列具有两个端部，将位于所述的线形阵列中的两个所述的端部的检测器元件的输出信号彼此叠加，并将位于所述的端部之间的相邻的检测器元件对的输出信号彼此叠加。

24.如权利要求9所述的系统，其特征在于所述的响应位置信号移动初级准直装置，以保持所述的辐射束与初级检测器阵列的对准状态的装置包括有处理装置，后者包括用于存储与所述的初级准直装置的位置有关的，位置信号值的一览表装置。

25.如权利要求9所述的系统，其特征在于所述的初级准直器装置，包括一组用于限定出相应数目的不同的初级辐射束的狭缝，所述的用于移动所述的初级准直装置的装置包括有，可分别移动每一个所述的狭缝，以使所述的焦斑与初级检测器阵列保持在对准状态的装置。

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